中国气象图书馆

2018年

  1. 2024年
  2. 2023年
  3. 2022年
  4. 2021年
  5. 2020年
  6. 2019年
  7. 2018年
  8. 2017年
  9. 2016年
  10. 2015年
  11. 2014年

第十一期

  1. 第一期
  2. 第二期
  3. 第三期
  4. 第四期

应用气象100进步,第一部分:基本应用
发布日期 :2024-04-07  

█ 作者:SUE ELLEN HAUPT,ROBERT M.RAUBER,BRUCE CARMICHAEL,JASON C.KNIEVEL,AND JAMES L.COGAN

█ 摘译:贾朋群 核校:戴洋(国家气象中心,特约)邓京勉(气象干部培训学院,特约)
摘要:大气科学领域在不同有需求实体持久的合作中得到了加强。本章和随后2章描述应用如何在服务于社会需求的同时,推进学科本身。本章简要评述在应用和学科进步之间的协同。特别描述了人工影响天气、航空气象和安全应用等领域的进步。这些应用都促进了我们对大气动力学和大气物理学的理解;制作出新的和改进的观测仪器,研发出更好的模式,和推进了计算能力的进一步提升。

1. 引言
  美国气象学会(AMS)100年文集评估了大气科学很多领域的进步。基础研究哺育应用。但是,应用本身也需要附加的研究以平衡最先进的应用和所基于的学科。针对应用气象的进步,文章中几节的目的,是描述面对解决特殊问题的需求——提出和应用于特殊领域时,这样的过程是怎样的。这些问题,从在合适的地方和在合适的时间获得降水,到满足非常特殊领域(包括能源、安全、地面交通、林火管理和农业等等)的需求,再到气象起关键作用的新领域(比如空间天气和火灾天气)的应用开发,和应用新工具(如人工智能)面对的问题等。
  NCAR第一届主任Walter Orr Roberts说:“我有一个非常强烈的感觉,科学的存在在于服务人类改善和改进自身福祉。”(NCAR 2018)。为此目的,大气科学工作者一直与有需求的用户密切合作。两边都学会了相互倾听和如何设计出建立用户决策支持工具的最好实现方式。在很多个例中,仅仅提供标准的天气预报,对于需求来说是不够的,需要定制成合适的形式,并用适用的术语解读,才能被利用。这些与最终用户的合作关系教会了我们更多的气象价值所在。
  本章我们先阐述一些最基本和明显的气象有效应用。人类一直想控制天气,但这并不容易,特别是当我们还没有认识基本物理过程的所有方面。第2节评述了人影如何与科学认知携手取得进步。随后的3-4节针对的两个应用领域——航空(3节)和国家安全(4节)在20世纪的部分时间和21世纪取得的进步,寓意了没有气象知识就无法形成的领域。为了限制阐述的范围,这些节的内容均限于美国,而美国确实在一些时期引领着世界的进步;但是,最近以来世界上其他地区也平行地获得成就。第5节对这3个领域进行了总结,阐述这些领域进步是如何推进了科学发展。
  本章内容能激起读者对接下来几章探讨伴随人口增长出现的问题,以及气象解决方案的探讨的兴趣。这些章讨论的主题包括城市气象应用、空气污染管理、地面交通和能源等。这些系列应用主题对应用的重要性进行了补充,包括农业和粮食安全、空间天气、人工智能应用和气象在林火管理中的应用等。
2. 人工影响天气的历史和未来
a. 人工影响天气介绍
  在最广泛的意义上,人工影响天气是指,因人类有意或无意的活动带来的区域天气和气候的改变。在本文集中,本节仅对基于基本科学假定,试图改变发生在风暴中的自然过程以增加降水或减少天气灾害的有意尝试的历史进行评述。无意的人工影响天气,例如,与人类产生气溶胶相关的空气质量下降,或者与化石燃料燃烧相关的温室气体累计导致的气候变化,在本文集中的其他章节中论述。
  人工影响天气的科学发端出现在1946年,当时通用电子公司的Vincent Schaefer向装有超冷液体云的云室中加入了干冰1,立刻引发了云冰冻(Schaefer 1946)。一个月之内,他的同事Bernard Vonnegut 发现碘化银(AgI),一种很像冰的晶体物质,也能让超冷云有效冻结(Vonnegut 1947)。
11930 年代有一些利用加热让雾分散的实验 (Giles 1987)。这里我们强调云播的科学研究。
  这些发现带来了外场试验、云物理、雷达气象和风暴动力学的革命并一直延续到今天。然而,尽管在过去70年来取得了巨大进步,云播在科学界依然存在争议。美国国家科学院在其报告(National Research Council 1964,1966,1973,2003)中对这一历史时期的科学进步和演化给出了主要评述,来自美国国家科学基金委员会(Special Commission on Weather Modification 1966)和美国国会(U.S.Congress 1978),以及一些专著(McDonald 1958;Hess 1974;Cotton 2009)、美国气象学会现在和过去的声明(AMS 2010)和世界气象组织(WMO;WMO 2010)等文献。这些文献中,除了科学不确定性,全球业务云播项目中也有一些矛盾。世界气象组织的评述估计,2016年有56个国家开展了人影天气业务(Bruintjes 2016)。同年在美国,冬季云播业务在西部山区实施以增加降雪量,在北达科他州开展了防雹作业,德州开展了对流风暴播撒以增加降水。

b. 科学假设和进步
  成冰剂播散(glaciogenic seeding,从地面生成器或飞机上撒播碘化银气溶胶,或飞机撒播干冰进入含超冷液态水的云中)和吸湿播撒(hygroscopic seeding,飞机向对流上升气流中底部播撒盐气溶胶)等2种方法,依据目标云的物理结构和基本动力学在人影中被应用。成冰剂播散一直用于冬季地形云系统以增加目标流域的降雪,向浓积云和积雨云中播撒促进或增加降水,向过冷雾中播撒提高机场附近能见度,以及向强烈雷暴中播撒让雹变小。吸湿播撒用于具有暖云底部的对流云(主要在热带),以促进和增加降水和增加机场附近雾区能见度。一些涉及利用这些机制撒播后发生的事件链的假定,在基于云类型撒播的实施中被应用。评估这些播云效果的假定有2种方法:统计评估和物理评价。统计评估是评估特定目的的人影实验实施后,进行随机撒播实验过程中,降水(测站观测或雷达数据估计)的可能改变(例如,Tukey et al.1978;Crow et al.1979;Braham 1979;WMO 1980;Gabriel 1981,2000;另见Silverman 2001a, 2003)。物理评估包括自然云结构和播撒物质注入后,云中微物理事件链的观测。下面给出针对不同云系类型的假设的验证取得进步的简要概略。
  1)增加地形云降雪(略)
  2)促进积云和积雨云降水(略)
  3)防雹(略)
  4)驱雾(略)
c. 当前实践和未来展望
  目前,播云业务在世界范围内已经作为干旱区增加降水和降低与雹、雾相关灾害的方法被使用。但是,认识云播效果的研究仅限于全球几个项目。地形播云研究,与业务运行相呼应,目前在美国开展(Geerts et al.2015;French et al.2018;Tessendorf et al.2018)。世界上一些地方有少量业务项目相关的持续研究[例如,阿联酋(UAE 2018)]。这些项目是未来研究可能最富有成效途径的先驱:科学研究项目与业务项目合作开展。未来水和清洁水电的巨大需求需要我们进行这样的探索,以及其他推进我们对播云受益认识的途径。

3. 航空:天气观测和预报的催化剂
  本文关注的第2个主题是航空气象。自从怀特兄弟开始了首次有记载的成功飞行以来,航空需要气象支持。本节给出其发展的简史,描述这些支持需求如何反过来让气象研究进步成为先决条件。讨论强调美国的进步史,其进步在早期航空天气历史上起到引导作用。
a. 从怀特兄弟到一次大战
  1903年,怀特兄弟在北卡罗来纳州Kitty Hawk沙滩驾驶一架动力固定翼飞行器成功进行了首次动力飞行。首飞地点的选择是因为他们及时意识到了飞行所需的基本天气条件,并在3年前就写信给气象局位于Kitty Hawk的当地机构,问询气候信息和期待的天气条件。他们收到了来自Joseph Dosher的及时回信,告知他们预想的大约60英里长1英里宽的海滩试飞地区,九十月份盛行北风或东北风。这样的风几乎是以不变的风速直接吹向海岸深入很多英里。这一早期预报帮助他们利用Kitty Hawk进行试飞(Kitty Hawk Weather Bureau Office 1900)。在他们首次成功动力飞行当天,第4次飞行后突发的阵风掀翻了飞机,就此结束了当天的飞行试验!因此,天气事件始于动力飞行的当天(Hughes 2012)。

  到1911年,航线从怀特兄弟飞行的数百英尺,扩展到从纽约到加州的第一条跨越大陆空中线路。这一进步带来了对飞行决策天气信息的重视。幸运的是,电报的发明带动了气象在19世纪的进步。利用电报,分散各处的天气观测可以被收集、绘图和在某个地点进行分析。1870年召开的一次国会通过决议,要求战争部长提供气象观测和对风暴路径给出公报(另见4节)。所以新的国家气象局诞生于美国陆军通讯兵。1890年这项职能转到农业部新成立的美国气象局(U.S.Weather Bureau)。这为该局于1914年建立提供满足航空需求预报的高空气象部铺平了道路(NWS 2017)。
  飞行员一直对可获取的天气信息有兴趣并将其作为飞行计划过程中的环节。1894年,风筝被用来将自记录的温度计送入高空,进行了第一次高空温度观测。1909年,气象局开始自由升空气球观测项目(NWS 2017)。第一次世界大战(WWI)期间,飞机实际上成为提供战场观测的关键工具。远程大炮需要沿炮弹轨迹的详细大气信息以准确打击目标(另见4节)。飞机被装备了记录仪和传感器;它们每天2次升空到大约14000ft(4300m)收集信息供炮手使用。当然,气象学者很快意识到这些观测的潜在用处(Met Office 2017)。

b. 一次世界大战结束到二次世界大战开始
  WWI结束后,对航空的兴趣持续。1918年,美国气象局开始向美军方航线和新建的邮政航线发布航空预报。这些航线中的第一条,是从纽约州的纽约市到宾夕法尼亚州的费城,再到华盛顿特区。全天候定期飞行提出了新问题,但是所需信息渐渐地得到满足。1920年,开辟了从纽约到加州旧金山的空运邮路。沿这些航线的机场建立了无线电站。所有飞机的运行基于通过无线电接收的天气报告(Wright 1999)。与此同时,1919年第一条跨大西洋飞行由美国海军水上飞机完成,中间停靠了2次(NWS 2017)。

  1926年开始启用灯标航路。飞机也变得更快,性能更佳,可以沿整个航线在夜间飞行。同年,国会通过了《航空商业法》,指定气象局提供天气报告、预报和警报以促进美国航空安全和有效性。飞行的天气灾害包括结冰、雪、雾和低云、风、湍流和雷暴等。气象局利用有限资源和能力积极履职面对这些航空天气问题。基于航空商业法,气象局在主要机场建立了天气办公室。这些办公室装备了电传系统提供观测和预报两类信息。飞行员个人通过访问天气办公室和与预报员互动获得天气概况(Cartwright and Sprinkle 1996)。
  正是在这样的环境下,1927年,Charles Lindbergh从纽约长岛不间断单独飞行到法国巴黎。他在计划飞行时曾向气象局协商,但是并没有等到大西洋天气的最后预报结果,就起飞了。预报员会建议延时12小时起飞,因为会有雾和雨,可能会给Lindbergh带来麻烦(NWS 2017)。
  1930年代,乘客运输成为一项商业产业,典型的情况是每架飞机载客仅10–15人。湍流是重要灾害,因为较小的飞机翼负载较轻,且在较低高度的“天气中”飞行。机体结冰也是重要灾害,经常需要利用可充气箱和除冰液缓解。雷暴灾害则主要通过飞机航线远离雷暴中心来规避(Cartwright and Sprinkle 1996)。
  1936年,泛美航空公司利用水上飞机创建从旧金山到夏威夷、关岛、菲律宾和中国东南部的跨太平洋航线。为此,公司成立了自己的气象部门,建立观测网,甚至是观测站和探空站(Cartwright and Sprinkle 1996)。
  为了确保联邦航空安全,罗斯福总统1938年签署了《民用航空法》。该法律建立了独立的民用航空管理局(Civil Aeronautics Authority,CAA),其下设有3位成员的航空安全委员会,负责调查事故和提供避免事故建议。立法还通过赋予CAA调整航班价格和确定承运商航线,以及提供航空交通控制服务等权利,强化了政府在民用航空的的作用(FAA 2017a)。
  到1938年,欧洲的战争危机激发了美国军方开始对其天气服务进行重要扩展。随着天气预报技术的科学进步,探空被快速在美国和欧洲实施,替代了有限的飞机探测。这一航线高层大气信息带来预报技巧的突破,包括更高高度航线上的预报。到1939年,跨大西洋民用航班出现,最初值飞的飞机很多从纽约的LaGuardia机场起飞或降落。这一航运活动给气象局赋予了新的使命,该局在1940年转到了商务部(NWS 2017;Cartwright and Sprinkle 1996)。
c. 第二次世界大战
  到1941年,跨越北大西洋两岸每周飞行数百航班。这使得对北大西洋高空数据的需求猛增。最终22个高空气象站建立以应对这样的需求(Cartwright and Sprinkle 1996)。不仅是北大西洋,欧洲的高空风信息也缺乏。事实上,是缺少对急流的认识。1944年,联军飞往柏林的轰炸机编队预计遭遇 45mi h-1(~20ms-1)风,实际风速却为 120mi h-1(~54ms-1),导致72架飞机失事;很多失事飞机追随被风吹歪的标志曳光管,错误地改变航线,飞到敌方高密度防空炮群上方(WW2 Talk 2016)。
  战争期间,大多数天气信息被加密。联军预报的巨大胜利之一,是破解了恩尼格玛密码,联军预报员可以定时获取德方的观测和预报信息(另见第4节)。这极大推进了对欧洲的高质量预报。此外,在每次轰炸任务开始前气象巡航飞机起飞,提供航线上的特定信息(de Cogan 2012)。
  在大西洋东部,需要船只以保持无线电静默,避免德国U型潜艇的攻击。为了缓解这一压力,专门布设了2艘武装船只开展气象观测。几次巡航之后2艘船只均沉没了。之后,每天9架次气象巡航飞行报告大西洋东部和北海状况。此外,雷达操作员发现,回波噪音与海洋和敌方领土的降水相关。还有,加载了雷达反射镜的天气气球用来跟踪高空风速和风向(de Cogan 2012)。
  与战争同步,美国民用航线天气支持机制也到位。十余个航空预报中心业务化运行,所有航空天气信息通过电传线路发布。为这些线路开发的编码被沿用至今。CAA建立了20个航线交通控制中心(Air Route Traffic Control Centers,ARTCC)跟踪关键航线上的仪表飞行规则 [IFR,相对目视飞行规则(VFR)-译注]航班。CAA与气象局达成协议,在这些中心设立小型天气预报机构,提供涉及安全或停航天气事件信息(Cartwright and Sprinkle 1996)。
  与战争同步的,是飞机引擎的开发。从1937年开始,Frank Whittle(弗兰克·惠特尔,英国航空工程师、发明家、喷气推进技术先驱。他研制的单转子涡轮喷气发动机于1937年4月12日首次运转成功-译注)在实验室运行了第一个发动机。到1942年,Whittle 喷气发动机被通用电子公司制造出来,随后美国第一架喷气飞机Bell XP-59A诞生。这带来了喷气式战斗机的发展并最终制造出第一架喷气运输机。这一新类型飞机带来了不同的航空天气的观测、诊断和预报需求(Merkt 2017)。

  在二战(WWII)尚未结束时,联军政府已经开始计划战后的航空业。业界1944年11月在芝加哥召开了国际航空大会,52个国家的代表参加。源于此的“芝加哥协定”为战后国际航空提供了框架,包括建立国际民用航空组织(the International Civil Aviation Organization,ICAO)。转年国际航空运输联盟(the International Air Transport Association)成立,与ICAO携手运行。国际航空的第三个支撑机构是1950年成立的WMO(Shun et al. 2009;Cartwright and Sprinkle 1996)。这一联合国组织成立的目的之一,是进一步将气象应用于航空。WMO寻求面向航空用户提供全球覆盖和可靠的高质量、及时和有效的气象服务。
d. 从二战后到1970年代中期
  战后阶段初期航空天气的一个最显著进步,是确定雷达对天气预报的潜在影响。美国空军向气象局提供了多出的25架机载雷达,改造后用于地面气象观测。1947年,第一台军队盈余的机载侦测雷达安装在华盛顿特区,预报员开始进入技术时代(NWS 2017)。
  1950年代初,CAA设立了空中交通管制系统,向飞行员提供航线指南、与其他飞机的间隔,以及沿线天气信息。导航基于定义了固定航线中心线的无线电信标。当飞行员顺着这些信标飞行,能够听到与其航线相关的天气信息广播。航线通信站也能沿这些线路被设置。这些站提供驾驶员舱的有声广播。广播员转播来自空中交管设施和航空公司的信息,以及飞行员所需的天气信息。这些站拥有电传线路与所有报告站连接,提供飞行员所需的其他编码天气信息(Richards 2009)。
  1954年,美国气象局、美国海军、美国空军、MIT和芝加哥大学建立了联合数值天气预报中心,提供日常业务预报。到1950年代末,模式每天运行两次(NWS 2017)。1958年5月21日,参议员A.S.“Mike”Monroney提出建立独立的联邦航空局(Federal Aviation Agency,FAA)议案,提供国家空域安全和有效的利用。在2个月后,1958年8月23日,总统签署了联邦航空法,后来转为民用航空官方机构的新的独立的联邦航空局的职能,对民用航空安全负责(FAA 2017a)。
  依然是在1958年,美国航空公司开始了从纽约市到佛罗里达州迈阿密市的第一条商业航线。这标志着航线如何面对天气和天气对于其业务是最重要因素的一个主要转变(NWS 2017)。
  空中交通直到1973年一直保持快速增长。这一增长的主要原因,包括1950年代后期喷气飞机和1960年代后期宽体机,以及1970年代航空业自由化法案和经过ETOPS认定(Extended-Range Twin-Engine Operations,双发飞机延伸航程运行)的高燃油效率双发飞机等在内的技术创新。这样的增长拉升了重要天气信息的需求,政府开始开发和平衡新技术应对增加的需求。
  1959年,气象局的第一架WSR-57天气侦测雷达在位于迈阿密的飓风预报中心服役。转年,1960年,最早的2颗气象卫星发射:极地轨道TIROS-I和TIROS-II(NWS 2017)。
  1961年,一项特别的面向FAA员工的培训课程,涉及了向飞行员提供飞行天气简报。同年,航空天气局发布了第一份官方晴空湍流预报(NWS 2017)。
  1973年,NWS购买了其第二代天气雷达,WSR-74雷达。之后于1976年用多普勒雷达发布实时业务预报和警报。这一成功孵化了后来第三代WSR-88D雷达项目(NWS 2017)。
  1975年,第一颗地球静止业务环境卫星(GOES)发射。到1977年,天气卫星的成功让美国观测船只退出了舞台(NWS 2017)。
e. 航空天气改进的“转折点”年
  1970年代后期,迎来了航空天气的转折时期。1975年肯尼迪机场发生造成113人死亡的坠机事件后,芝加哥大学Ted Fujita教授参与了讨论。他二战期间在日本生活,曾经给出了原子弹在广岛爆炸的灾害分布图。他注意到,沿雷暴路径地面分布形态看起来与炸弹爆炸灾害分布很像。NCAR科学家向Fujita提供了合作研究两台新的多普勒雷达数据的机会。1978年,研究“微爆发”的外场试验在伊利诺伊州北部进行。整个夏季总计探测到超过50个这样的事件。在1982年夏季,更大规模的外场项目,联合机场天气研究项目(Joint Airport Weather Study,JAWS)在科罗拉多州丹佛附近的Stapleton机场开展。在一次微爆发相关的死亡133人的路易斯安那州新奥尔良飞机失事事件后,FAA对该项目给予了支持。1984年,分类、定位和避免风切变(Classify,Locate,and Avoid Wind Shear,CLAWS)项目在丹佛开展。该项目让学者与风切变警报系统密切联系在一起(UCAR 2017a)。

  第一次减缓风切变的策略由NCAR和波音公司开发到位。风切变培训课程在各航空公司共享,培训飞行员避免和摆脱风切变。开发的一个基于风速计的系统被称为LLWAS(Low-Level Wind Shear Alert System,低层风切变预警系统),基于布设在机场附近的传感器网探测这些事件并向空管员发出警报。此外,NCAR和MIT林肯实验室共同开发了一个基于雷达的方法,利用多普勒雷达针对机场附近事件进行探测和进行警报发布(图3)。随着这些机场多普勒天气雷达(TDWR)的成功布设,风切变事故在美国已经成为过去(UCAR 2017a;Stith et al.2019)。
  针对关键的航空天气,NWS于1989年实施了现代化项目。该项目包括用自动地面观测系统(ASOS)替代人工天气观测;实施下一代天气雷达(NEXRAD),即前面提及的国家 WSR-88D 多普勒雷达网;发射新的地球静止卫星系列;计算能力提升 10 倍和规划预报系统通用工具 AWIPS 等内容(NWS 2017)。这一现代化计划的提出,是对包括航空在内的多领域经济发展改进天气信息需求的响应。
  美国NWS的现代化从1990年到2000年实施。国家气象中心安装了Cray Y-MP8计算机。签定了生产165部NEXRAD雷达的合同,其中第100部雷达于1993年安装。布设ASOS的合同1991年签订,到1992年115个现代化基层气象机构中有22个完成,1700个ASOS站中的151个运行。1993年,签订了建设AWIPS的合同。到1997年,NEXRAD网布设完成。2000年,AWIPS在所有152个地点安装,正式标志了现代化项目的完成(NWS 2017),极大地改进了美国航空系统的业务。
f. 航空天气安全更广泛改进的协调努力
  从1990年代初期开始,在风切变项目取得成功和NWS现代化项目推进的基础上,FAA实施了应用更为广泛的航空天气研究项目(Aviation Weather Research Program,AWRP)。项目开始瞄准的领域包括:对流天气,空中飞机结冰和地面飞机除冰。在这些内容的支持下,项目包括了改进雷达算法、改进数值天气预报模式和开发评估产品气象质量的有效方法(Kulesa et al.2003)。

  此外,该局开始考察服务于天气和飞机巡航需求的全新雷达分类的可能性。该项目称为机场区域侦测系统(Terminal Area Surveillance System),预期成为一个取代机场区域所有其他雷达的电子扫描系统。项目太超前于当时的最新技术,因此被搁置,等待新的和成本更少的技术(Mahoney et al.1995)。但是,另一个项目,海军研究办公室(Office of Naval Research,ONR)却是在持续致力于美国海军两用项控阵侦测和跟踪雷达的研发。结果形成了战术环境处理器(Tactical Environmental Processor,TEP)和灾害天气探测和显示能力(Hazardous Weather Detection and Display Capability,HWDDC),它们也帮助实现从战术覆盖中除去天气干扰(Maese et al.2001,2007)。
  在对流天气方面,早期研究致力于临近预报技术,即对流的移动、生长、消亡和形成的非常短时间(1h) 的预报。在国家尺度,一个被开发、验证和布设在NWS的产品,是国家对流天气预报(National Convective Weather Forecast,NCWF)系统。在机场区域可进行比较,但更为精细化的产品,即机场对流天气预报(Terminal Convective Weather Forecast)被开发出来,它的很多功能被FAA加入到综合机场天气系统(Integrated Terminal Weather System,ITWS)中(Kulesa et al.2003;MIT/Lincoln Laboratory 2017c)。

  针对空中除冰,诊断和预报采用的方法都是基于来自包括模式、雷达、地面观测、探空、飞机观测、飞行报告和卫星的一些指标的融合数据。一个冰生产品在四维网格上被开发出来,可让用户通过知晓每个网格点冰生灾害的时空分布来确定航线。这一能力,称为“当前冰生产品”(CIP)和“预报冰生产品”(FIP),加载在NWS业务平台上被传送和应用。随着更好的传感器数据、模式和推断方法的出现,产品在持续的改进中(Kulesa et al.2003; Bernstein et al.2005)。

  在飞机地面除冰方面,一系列事故是因为利用能见度作为降雪率的代用指标而发生。能见度–降雪关系在某些情况下可能存在巨大误差。因此,开发雪中液体水当量的有效方法项目被实施。这一参数对应于飞机用的防冻液的稀释速度。天气支持除冰决策制定(Weather Support for Deicing Decision-Making,WSDDM)系统被开发完成,并在航线上进行检验,并通过商业技术转让提供使用(Kulesa et al.2003;Rasmussen et al.2001)。

  1990年代中期,AWRP在前期成功的基础上增加了一些研究领域。这些研究的目标是各种类型湍流、云底和能见度、海洋飞行天气和航空数字数据服务(Aviation Digital Data Service,ADDS)的开发及布设(Kulesa et al.2003)。
  湍流研究经历了两个平行的前沿。第一个研究位于山丘或山脉附近机场附近湍流的生成。这方面标志性的项目开始在新的中国香港机场,后来在阿拉斯加的Juneau机场实施。面临的挑战是当湍流强度足够强而影响到飞行安全时,向飞机提供湍流实时警报。中国香港的业务系统被转移到皇家观象台使用和支持业务(UCAR 2017b),而Juneau机场的情况,开发的系统被FAA业务化并维持(Politovich et al.2011)。

  欧洲湍流预警最初包括了晴空湍流预报。最早开发的基于模式的方法称为综合湍流预报算法(Integrated Turbulence Forecast Algorithm,ITFA),后来更名为图解湍流指南(Graphical TurbulenceGuidance,GTG)。该项技术应用于模式产品的诊断集合,并利用最终产品技巧最优化原则对这些诊断进行权重组合。与上述的冰生预报产品CIP和FIP类似,这一结果被放入四维网格,允许沿任何飞行路线进行选择。GTG随后被NWS布设用于格点化发布和预报(Kulesa et al.2003;Sharman et al.2006)。
  云底高度和能见度是AWRP早期研究的另外一个领域,主要关注两个方面。在旧金山机场(SFO),当海上层云阻碍飞行员观测附近平行航线上的飞机时,终止并行飞行,这导致着陆承载力降低了50%。预报的挑战是预测层云消退的时间,这样可以实施并行飞行。问题随着一系列观测能力和统计、探索式算法进行预报获得解决。支持预报系统所需的新的关键观测包括海洋逆温底的高度(层云顶),该量利用2部声探测和测距仪器(声雷达)观测得到,云高计用来观测云底,日射强度计用来观测入射太阳辐射,高分辨率地面温度、露点和风以及这些量的通量观测用于运行一个一维云模式(Reynolds et al.2011)。结果传给NWS用于业务和应用(Kulesa et al.2003)。该系统提升了不多的几条着陆跑道的使用效率,让飞往SFO的飞机在晴空前起飞,利用双跑道及时抵达(Reynolds et al.2012)。

  这一阶段AWRP的另一个云高和能见度项目,是开发一般航空工具,用于国内云高和能见度的诊断。这一图像显示产品为飞行员提供更简单方式查看沿计划航线的当前天气状况。因为产品是诊断性质的,它仅向飞行员显示当下发生了什么,并没有预报(Kulesa et al.2003;Herzegh et al.2015)。这使得该产品用处不大,仅是一个计划工具,因为某地的天气状况,在飞行员到达时可能发生了变化。
  在此期间AWRP海洋上的工作,集中在开发提供给飞行中的飞机沿航线的实时云顶高度的方法。因为能够看到所载雷达不及的区域,就能提前数百英里预测可能的转移,提供更安全和更有效方案。一个基于卫星的云底高度产品被开发出来并通过 ARINC(Aeronautical Radio,Inc.,航空无线电公司)电传在飞行员舱中打印出来。试验在美国联合航空公司澳大利亚航线上进行。尽管飞行员支持这一产品,但是FAA因收支限制决定不继续推广(Kulesa et al.2003;Lindholm et al.2013)。
  该时期AWRP的另一项突破是ADDS(Aviation Digital Data Service,航空数字数据服务)的开发和应用。互联网被普遍应用。用户友好互联网服务的理念带来了航空气象界最好的产品,该产品得到FAA的资助,由NCAR开发并由NWS在位于密苏里州堪萨斯城的航空天气中心实施。该中心的网站用户快速增加,已经成为航空用户最具参考意义的网站之一。网站还提供一个机制,与用户一起试验新思路,并让用户了解天气领域最突出的新研究(Kulesa et al.2003)。ADDS持续被改进,成为NWS系统的主要部分,提供航空天气信息。

  1998年开始,航空气象中心开始向国际航班提供文件,用于起飞前和飞行中的分派。这个文件包括高空风/温度、重要天气图、到达机场预报(terminal aerodrome forecasts,TAF)、重要气象信息(SIGMET)、气象终点飞行路线天气报告(METAR)和飞机报告(AIREP)。这些数据来自世界区域预报系统(World Area Forecast System,WAFS)(Aviation Weather Center 2017)。
  2002年前后开始,一家名为XM天气的公司,让在飞行员舱里提供可靠、及时天气信息的梦想成为现实。利用ADS-BIn (驾驶舱上传功能)和价格低廉的平板计算机应用,任何人都能获得天气信息。对航空公司,宽带通信能够向旅客提供娱乐,也让飞行员利用飞机无线网,在他们的电子飞行包(通常是一个平板电脑)上,容易地获取高质量天气信息。海洋云顶高度产品和湍流诊断产品成为这些新系统上最流行的应用(Zimmerman 2017;Kessinger et al.2017)。

g. 与导致延误、能力下降和有效性损失相关的航空天气研究 
  2000年代初,飞机延误有恶化趋势。系统高度紧张运行,对大流量空中通道上的破坏性天气尤其脆弱。下一代空中交通系统(Next Generation Air Transportation System,NextGen)被研发,并被官方于2003年12月作为FAA再授权法的一部分(Vision 100 2017)。该法致力于多机构用25年时间实现美国系统的现代化。2003年末,建立了联合规划和开发办公室(Joint Planning and Development Office,JPDO), 办公室包括了一个天气综合产品团队(Weather Integrated Product Team,WIPT)。该团队由来自政府机构、合同方、学术界、学者和业界人员构成(Vision 100 2017)。
  NextGen的天气目标是提供准确、及时和相关的信息,能够直接融入自动决策支持工具中。自那时以来,因为自动系统针对天气更加智慧,需要人工参与的决策不断减少。人类花费更多的时间通过状态显示进行监测,因此能够跳出决策循环而非身陷其中。系统的天气功能由嵌入的网络和四维数据库驱动(图4) ,系统的所有相关方共享(Weather Integrated Product Team 2006)。

  自从选择了这个目标,FAA和NWS一直努力将各自的系统现代化以更好地实现NextGen 的天气版本。从2009到2012年,NWS持续改进和周期性更新其业务能力。超级计算机系统于2009年更新,GOES-15于2010升空。2011年NWS开始更新其多普勒雷达网,实现双极化,具备了提供降水估计的重要能力,改进了冰雹探测和机身结冰诊断能力(NWS 2017)。该局还业务化了FAA开发的NEXRAD湍流探测算法(NEXRAD Turbulence Detection Algorithm,NTDA)已提供一种云中谱宽度湍流探测产品(UCAR 2017c;Williams and Meymaris 2016)。
  与此同时,FAA开始通过大型收购项目支持这一天气目标。其中最重要的是通用支持服务-天气系统(CSS-Wx)的开发和布设,原型来自FAA的降低风险研发项目,之后通过协议转移到了哈里斯公司(Harris Corporation)。这一项目为NextGen利益相关方提供了基础设施服务,用于支撑网络支持的航空气象。第二个项目是NextGen天气处理器,提供了一个将天气数据转化为产品的载体,提供给特定的利益相关方,包括空管、调度员和飞行员,并通过CSS-Wx发布这些产品。这个项目原型也来自FAA降低风险研发项目,之后由雷神公司(Raytheon,Inc.)进行研发和布设(FAA 2017b)。一体化航空风暴预测(Consolidated Storm Prediction for Aviation)是一款0-8小时的对流天气预报产品,它是基于高分别率快速更新模式(High-Resolution Rapid Refresh, 简称HRRR)和通道综合天气系统(Corridor Integrated Weather System,简称CIWS)混合输出的产品,包含在Next Gen天气处理器中(MIT/Lincoln Laboratory 2017 a,b)。
h. 航空天气安全任重道远
  随着传感器、模式和科学认知的持续进步,天气研究界在不断改进机场结冰产品的预报技巧(UCAR2017d)。这也部分因为FAA新的认定标准对新结冰产品提出了需求,标准附录O中有关于过冷水滴结冰的相关内容。模式中高质量的微物理过程提供了结冰预报产品重要改进的机制,而双极化NEXRAD的布设为实时诊断可能的结冰区域提供了另一个有利工具。与结冰研究相似,湍流预报研究也在持续。业务化GTG已经有了一些改进,包括从地表到45000ft (~14000m),地形波预报和用能量耗散率作为报告参数等。预报的全球版本在开发和布设中。一个GTG临近预报版本(GTGN)目前正在进行布设前的评估。该产品每15m更新一次,将成为驾驶舱信息显示系统中有用的补充信息(Sharman and Lane 2016)。
  航空天气的一个新领域正在出现,部分原因是更高效率的喷气引擎的引入。这些发动机中很多在吸入大量密集冰晶时,似乎都非常容易转速下降或者可能熄火。针对全球多个个例,国际社会开始着手认识和减轻这一安全风险。这一努力,被称为高冰水含量(High Ice Water Content,HIWC)或高海拔冰晶(High Altitude Ice Crystal,HAIC),已经在几个国际外场项目中实施,以更好地认识引发这些引擎事件的大气条件。同样的大气现象还可以阻塞传感器气管,引起探头相关自动系统运行紊乱,例如,法航447号在大西洋失事。这一现象的潜在影响早在1998年就被Paul Lawson(Lawson 1998)注意到。对此开发了一个示例性的诊断算法,正在接受评估(Haggerty and Black 2014)。该算法利用模式和卫星数据临近预报可能发生灾害的区域。虽然该算法没有直接利用飞机数据,模式确实同化了飞机数据以改进性能。
i. 无人飞行器相关的更广泛的航空气象
  航空气象研究最新领域之一是“无人”(远程控制)空中飞行器/系统(UAV/UAS 或遥控飞机)飞行。目前经历着大幅度增长的一类遥控飞机是小无人机,固定翼或旋翼,在400英尺(120米)AGL以下和飞行员视线之内飞行。这些飞机特别易受到风和湍流的影响。因为飞机配置了功能强大的自动驾驶仪,能够部分应对强湍流,但代价是大的能量消耗,可能使有效航程减少到不能接受的程度。这些飞行器可能将应用于城市环境,这种环境中的障碍物有可能引起很短距离快速变化的风场。为了让这种应用成功,设计方法要提供高分辨率风诊断和预报。
j. 航空应用小结和未来展望
  航空天气研究将航空业带到50年前难以想象的安全高度。当然,在技术进步的同时,新的天气威胁也是现实的。航天发射和超音速交通会面临新的天气挑战。我们在面对这些新挑战的同时,继续利用新传感器和计算技术改进能力开发。由于安全性的改进,系统能力和有效性已经成为航空天气研究新的前沿。由于跑道和空域更加拥挤,不准确的天气预报会浪费承载力,导致系统弹性下降。而且,业务的效率,受到燃油费用和环境考量的影响,在很大程度上受到天气预报准确性的影响。未来,航线优化可能要考虑气候变化的代价,包括航迹云生成和消散这样的预报。当我们学习如何将天气信息集成和耦合进航空决策系统时,很少深究可能的界面是什么。幸运的是,航空天气界能够持续保持与整个气象界大量进步之间的平衡,帮助我们面对未来预期中的挑战。
4. 国家安全应用
  过去一个世纪,美国应用气象和气候的巨大进步推动和受益于国家安全。安全与科学的双向联系遍及资助、体系、人才、数据、技术、工艺和文化之中。一些联系是熟知和有历史传承的,例如D-Day预报(Ross 2014)或雷达在气象中的应用(Buderi 1996;Rogers and Smith 1996),正如在本文第3节和文集关于观测推进航空气象章节(Stith et al.2019)描述的那样。其他一些联系较少被熟知,但值得回顾。
a. 引言
  国家安全在战争背景下被凸显出来,特别是在战争进行中,天气和气候总是起到关键作用(Winters et al.1998)。很多材料里对这类应用有所忽视,一些关注点转移到其他领域,如经济安全、基础设施、健康以及食物、水、空气和能源等的资源(例如,Romm 1993;Executive Office of the President 2015;O'Sullivan 2015;Ammerdown Group 2016)。
b. 安全应用导语
  1) 一个世纪之前. . .
  一个世纪之前,全球都在从WWI的恢复中。尽管以现代标准看还很原始,在那次战争中气象被用来计划和指导某些战事活动。地面站、气球和飞机的观测 (Dastrup 1992;Pedgley 2006)对炮兵部队很有帮助,很长时间以来就知道火炮对天气很敏感——在远射程中气象误差占火炮总轨道误差的三分之二(Wahl 2006;Jones 2017)。新的天气敏感性随飞机、毒气和其他创新而出现 (Pedgley 2006;Ross 2014)。无线电等技术开发为新的观测方法搭建了舞台 (DuBois et al.2002)。不幸的是,战争期间的有效天气预报受制于不成熟和有缺陷的大气概念模型(Pedgley 2006)。因此,那时的指挥官不信任预报(Ross 2014)。
  WWI以来,应用气象和气候的进步一直在改变着国家安全,时不时会有适用技术出现和被开发。在WWI和WWII之间,用Harper(2012)的说法,大气科学的进步是“停滞的”;或者用Smagorinsky(1970)的说法,是“少有亮点”。大萧条时期受到严格预算的影响,限制了新的分析和预报方法的融合(Harper 2012)。随后的WWII,开始获得进展并带来持续的改变,其中之一是和防卫相关的科学研究资助(Mazuzan 1994;Buderi 1996)。
  2) 介入国家安全事业
  WWII让各国相信战争的成败取决于科学,科学家能够解决战争问题(Sapolsky 1990;Buderi 1996;Genuth 2001)。这样的认知使得美国直到21世纪,哺育了学术界、联邦政府和业界有时紧张,但更多的时候形成了强有力的共生关系,成为支持和实施科学研究的样板。
  3) 观测、观测系统和通信
  如第3节所述,当美国气象局于1870年成立时,隶属于战争部。该部的通讯兵被看做提供适宜于收集和传播天气观测的人员、专门技术、基础设施和规范的机构(Fleming 2000)。尽管这与该军种的特殊形势和当时的长官有关(Fuller 1990),但是,天气情报一直被认为是国家安全的关键要素。
  4) 数值天气预报和其他预报形式
  数值天气预报(NWP)的诞生和变得强大(见Benjamin et al.2019,本文集)是国家安全与应用气象和气候之间紧密,有时是意外的互动的突出例子。第一个NWP计算在著名的ENIAC计算机上完成(Charney et al.1950)。ENIAC(Goldstine and Goldstine 1946)却不是为气象界设计和制造的,而是为位于马里兰的弹道研究实验室。该计算机用于计算火炮射表和氢弹范围。

  自第二次世界大战以来,美国空军一直为美国陆军的作战行动提供天气支援。美国空军在业务中使用的NWP模型中有两个是开创性的中尺度模型:从1997年开始运行的MM5模式(Dudhia 1993),2006年开始运行的WRF模式(Skamarock et al.2008) 。美国空军为这两个系统的发展做出了贡献。与美国海军一样,集合预报一直是美国空军建模的重要组成部分。
  5) 人工影响天气,有意和无意
  (略)
c. 安全应用气象的目前状况
  对于比核战争规模小的、对国家安全的不对称威胁,特别是来自恐怖主义的威胁,是应用气象学和气候学近期工作的重点。(注:不对称一词通常用于描述一个较小的、不太强大的交战者对一个更大、更强大的交战方所构成的威胁,特别是当前者采用非传统战术时,例如叛乱和恐怖主义。)对来自自然、偶然或恶意来源的空气中气体和颗粒的关注,促使了诸如URBAN 2000(Allwine et al.2002)、Joint Urban 2003(Allwine and Flaherty 2006)、MID05(Allwine and Flaherty 2007)、五角大楼楼盾(Warner et al.2007)等活动的开展,而这些均致力于通过城市环境中的微尺度循环来理解和改进传输和扩散过程及相关模型工作。
d. 安全应用气象的未来
  与过去的进步如出一辙,应用气象和气候在国家安全方面未来的进步,也将与社会和政策、基础设施、环境、技术和一般意义上的科学保持无法分开的联系。到2030年,41个城市的人口预计超过1000万,世界60%的人口将居住在城市 (United Nations 2016;Haupt et al.2019a, 本文集本章的第II部分)。城市天气和气候将在国家安全中凸显出来(Knapp et al.2016)。模拟将持续进步,到更精细的时空尺度,在这些尺度上随机过程将提出新的挑战,包括数据同化和模式验证。
  气候变化和相关的生态和社会分裂,是国际安全在很多前沿要考虑的(Malone 2013),其中包括人类健康(Willett and Sherwood 2012)、军事和民用设施(Interagency Security Committee 2015)、农业、交通和能源(U.S.Global Change Research Program 2009;Haupt et al.2019a,b,本文集)。流行病和疾病传播以及气候变化对这些过程的影响(例如,Monaghan et al.2016) 将继续是国家安全关注的课题(U.S.Department of Homeland Security 2014)。
  面对各种威胁,美国和其他国家将需要确保稳定、充足的食物和水供应(McElroy and Baker 2014)。海平面升高,预计北极水域的航行和沿海基础设施的状况将大不相同(Executive Office of the President 2013;Goldstein 2016)。
  为了帮助社会应对这些挑战,未来,应用气象学和气候学可能会产生不可预知的进步。正如 Johnson(2000)所观察到并由其他学者详细描述的(例如,Shuman 1989; Fleming 2016),技术往往是这种进步的核心。在未来几十年,观测平台,如无人驾驶飞机(即无人机或无人驾驶飞行器,本章)将应用于社会许多部门,以利于环境监测和建模。卫星探测能力及相关算法将改进,激光雷达等短程远程传感器将更便携便宜,量子计算将彻底改变我们处理某些类问题的方式,机器学习将帮助我们更好地理解数据档案,军事技术本身将变得更先进(例如定向能武器),民用技术(例如自动驾驶车辆)将呈现出新的天气敏感性,等等。
5. 小结和结果思考
  本文中气象成功和关键的应用,在某些情况下是如何有能力改变全球事件的进程的,很值得进一步探讨。在历史的某个时刻,人类满足于观测天气。时过境迁,他们又开始预报天气。之后,是针对每个不同应用需要特定的预报,其中的一些已经在本文中进行了描述。
  我们已经看到早期的科学发现是怎样让人影成为感兴趣的领域并以让社会受益的方式实现,以及对人影的兴趣推动更详尽科学认知的研究活动。现在很清楚,早期云播的概念过分简单,随着地基和天基仪器用于关键观测以及当代高性能计算数值模拟,我们能够更好地洞察其复杂性和各种可能性。基于这种认识,人影技术一直通过增加阿尔卑斯山积雪和驱散过冷雾的目标进行开发和实验。我们能够对这些技术效果如何以及在什么情况下可用有一个合理的认识。在其他领域,如增雨和消雹,研究和实验还未完成,结果也是非结论性的。
  当前和未来天气的详尽知识还对航空非常关键,这也促进了观测和预报的研发并使得更多领域受益。如本文第3节所述,从气象局为1903年怀特兄弟飞行提供Kitty Hawk的季节风向预报开始,航空领域一直需要越来越复杂、高技巧的天气信息。目前,各行业不仅需要基本的风观测和预报,还涉及湍流、结冰可能、对流活动、闪电和微下击暴流等等的详细信息。这些需求鞭策研究深入过程中以推进预报。需求还带动仪器的改进,包括天气雷达。因此,不仅是气象支持了航空进步,反过来当然也是真实的。
  第4节展示了气象信息在安全上的关键应用。一次世界大战以来过去100年的进步值得称道。国防机构一直支持大气科学,促进了很多创新并应用于各个领域。这些进步覆盖了仪器,包括雷达,光达和卫星平台;传播和扩散感应和模拟;和包括NWP集合应用的概率预报等。
  这些节的内容是气象学进步历史的重要组成。的确,是人影带动了云物理和对流过程的研究。这一认识又推进了天气预报进步,包括激烈天气、洪水和包括结冰在内的航空灾害,最终让气候模式受益。这些需求和进步在时间点上是分离的,需要推动和协调以推进科学整体上间断性的进步。因此,科学和应用相互促进,需要科学和工程不同领域的专家合作,推进基础研究独自无法实现的科学进步。
  正如这些节所揭示的,Walter Orr Roberts是对的。科学确实服务于社会,我们将总是能够看到科学家和工程师热衷于将二者联系起来解决技术问题,使得我们的世界更美好。